一种新型激光三维扫描测量仪的研制

引　言

三维物体表面重建技术从出现到现在,经过近30年的发展,无论从硬件到软件都日趋成熟,作为其关键技术之一的三维表面数字化技术也得到了很大的发展。目前的三维数字化方法,根据测量探头或传感器是否和实物接触,可分为接触式测量和非接触式测量两类[1]。非接触式测量根据测量原理的不同,有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。较为成熟的是光学测量方法,有激光扫描、莫尔条纹、结构光、数字图像处理等方法。激光三角法( laser triangulation)相对于其它光学非接触测量方法,具有结构简单、分辨率高、效率高、工作范围大等优点。由于坐标测量机和机器人手臂作为移动载体很好地应用于物体表面空间点三维坐标测量中,所以,将机器人臂与带状激光三维传感器结合起来,将是最佳的三维扫描系统。基于这个思想研制了一种基于测量机器人的激光三维扫描仪。测量原理如下:由随动式测量机器人带动其末端固定的激光测距传感器扫描待测物体表面,由实时测得的各关节转角根据机器人运动学原理计算机器人末端的空间位置和姿态[2],从而得到被测物体在检测系统所建立的坐标系中的x,y, z坐标,以此得到曲面重构所需的代表物体表面信息的点云数据,数据格式将以DXF,BIN,TXT格式输出。随动式测量机器人的设计在文献[3]中有所介绍,本文中将重点介绍激光测距器的研制。

1　基于双三角法的激光测距传感器

按照测量空间的维数来分,可划分为一维激光三角法和多维激光三角法。一维激光三角法结构简单,但得到的只是一维的距离信息,若要得到物体上点的三维坐标,可以由测距传感器所在机构通过平移或旋转运动得到。一维激光三角法只需要一个CCD摄像机,而二维激光三角法是基于人眼的立体视觉效应,使用两个CCD摄像机接收点的物像,每个CCD摄像机与激光光束构成一个基于三角法的测距传感器,因此二维激光三角法又可称为双三角法。本文中所设计的基于双三角法[4~6]激光测距传感器,如图1所示,它由一台670nm波长的线激光发生器和两台CCD摄像机组成,CCD摄像机图像采集选用了一块双通道图像采集卡,对两个摄像机图像同时采集,图像分辨率达到:PAL (768×576×24)bit。

其原理如图2所示,根据余弦定理有:

式中,β为摄像机CCD像面与相应镜头透镜光轴之间的夹角,α为激光束与透镜光轴之间的夹角的余角,f为透镜焦距, 2d为两摄像机透镜中心之间的距离,s1,s2分别为像点距两个相面中心的距离。

采用双三角法测距可得到物体上点的二维坐标,第三维坐标信息可通过激光线的扫描运动实现。扫描速度可达到80点/线×20线/s=1600点/s,从而实现对三维物体的快速扫描。